杠桿演示儀

劉信生，周 江，陶士金

(1.廬江縣龍橋鎮初級中學，安徽 廬江 231551；2.廬江縣柯坦鎮陳埠初級中學，安徽 廬江 231500；3.合肥市教育科學研究院，安徽 合肥 230071)

1 傳統實驗存在的不足

探究杠桿平衡條件實驗是初中物理教學的重點內容之一. 無論是演示實驗還是分組實驗，調節杠桿在水平位置平衡，得出實驗結論是杠桿平衡中最簡單、最常見的特例，教材只安排簡單的探究活動，目的是降低實驗探究的難度[1]. 讓學生在特殊的情況(水平平衡狀態下)進行實驗操作，總結得出杠桿平衡原理. 該實驗在實際教學中存在以下不足：

1)學生狹義地認為杠桿只有在水平位置才能達到平衡，力臂就是支點到力的作用點之間的長度.

2)將鉤碼的重力換作彈簧測力計的拉力，特別是傾斜的拉力作用，其力臂的測量難度較大.

3)即使采用垂直于作用力的刻度尺勉強測量出力臂，也需要多人合作，測量數據誤差大.

4)學生在實操中無法體驗任意方向拉力的力臂測量，對學生物理思維訓練的作用有限，教學效果達不到課程目標中掌握力臂概念和理解杠桿平衡原理的要求.

2 杠桿演示儀的制作方法

如何準確、便捷地測量出力臂是實驗需要突破的關鍵. 將刻度尺的刻度線部分進行改進，制作出單人能輕松且精準測量作用在杠桿上任意方向拉力的力臂的杠桿演示儀，如圖1所示.

圖1 自制杠桿演示儀

2.1 刻度板的制作方法

在Adobe Photoshop圖像處理軟件的界面上選取與A4紙長和寬相同的尺寸，畫出分度值為1 mm的刻度尺，將刻度線沿橫向2等分，將0刻度線置于界面中央位置(粗紅線)，再以0刻度線為對稱軸左右對稱的位置標出以mm為單位的刻度，兩側的量程均為15 cm，兩側相對應的刻度中，每隔1 cm用實線連接，每1 cm中間用虛線等分，在實線間標上刻度的數值. 將設計好的特殊“刻度尺”彩色打印在A4紙上，用塑封機塑封好，如圖2所示. 再用打孔器在零度線處打上小孔做成刻度板備用.

圖2 自制刻度板

2.2 杠桿演示儀的組裝

首先將演示杠桿支架豎直固定在鐵架臺直桿上，將自制刻度板的小孔先穿入鐵架臺上固定杠桿的轉軸，再在轉軸上旋入螺母，前后2枚螺母擠壓刻度板的松緊度適度，達到用手轉動刻度板且放手后刻度板可以在任何角度保持靜止為宜. 然后將細線懸掛的重錘線系在轉軸上，調節刻度板，使刻度板的0刻度紅線與重垂線重合，再穿上輕質演示杠桿. 最后旋上杠桿的支點固定螺母. 在杠桿兩側可移動的懸掛點下分別系好帶有掛鉤的深色棉線，目的是方便加掛鉤碼.

取600 mm×800 mm×8 mm透明亞克力板1塊，將亞克力板做成“Y”字形，兩側對稱地鏤空成圓弧狀槽. 取實驗室中去掉外框的塑料滑輪2枚，分別用螺桿穿過2枚滑輪的軸心和亞克力板的圓弧狀槽，再用螺母在槽的背面旋入螺桿，懸掛好左右兩側的滑輪，通過調節螺桿上螺母的松緊保證兩滑輪可以固定在圓弧形槽內任意位置，再把下方板面切掉，目的讓鉤碼能懸空. 在亞克力板的中間靠正下方打2個孔，便于用螺絲將亞克力板豎直地固定在鐵架臺上，前后調節板面，使演示杠桿與其在同一豎直面內.

3 刻度板測力臂的原理

如圖1所示，當刻度板的0刻度線處的小孔與輕質杠桿的支點共軸，則在杠桿左右兩側懸掛重物保持水平方向靜止時，兩側的力臂可以從水平放置的刻度板上直接讀出. 當作用在杠桿兩側的拉力不與杠桿垂直時，如圖3所示，輕質杠桿在F1和F2的作用下保持平衡. 此時先順時針轉動刻度板[圖3(a)]，使刻度板上的刻度線與拉力F1作用線平行，根據力臂的定義，用虛線作出力F1對應的力臂，再將虛線平移到刻度板對邊的刻度線上，發現它們與刻度板0刻度線、拉力F1作用線延長線構成矩形. 根據矩形對邊相等的性質，此時F1力臂大小就是刻度板上的刻度線與拉線重合的刻度尺的示數(讀數時的視線一定要與刻度板垂直)，記為L1. 同理，圖3(b)中F2的力臂大小就是刻度板上刻度線與拉線重合的刻度尺的示數，記為L2.

(a)

4 使用杠桿演示儀探究杠桿平衡條件

4.1 調節刻度板，杠桿水平平衡

將2根等長一端系有回形針做的掛鉤、一端系在杠桿兩側掛重物的提紐的深色棉線自然垂下，調節提紐到支點的距離相等. 輕輕轉動刻度板，使刻度板的0刻度紅線與重垂線重合. 調節杠桿兩端的螺母，使杠桿在水平位置平衡.

4.2 探究實驗

1)將2根棉線分別繞過固定在滑槽中的滑輪，分別在左右掛鉤下加掛1個(0.5 N)和2個鉤碼(1.0 N)，移動杠桿上的懸掛提紐，調節杠桿再次在水平位置靜止.

2)順時針轉動刻度板，使刻度板上的刻度線與左側力的作用線(細線)平行，眼睛正視刻度板(找到細線與刻度線重合的位置)，讀出左側作用力的力臂L1.

3)再逆時針轉動刻度板，采用2)的方法，讀出右側作用力的力臂L2.

4)改變細線掛鉤下重物的物重(分別在左、右側加掛2或3個鉤碼)，重復步驟2)和3)，讀出杠桿左右兩側作用力的力臂.

5)改變杠桿兩側滑輪在滑槽中的位置，分別在左、右側加掛1或4個鉤碼，不再移動杠桿上懸掛點的位置，讓演示杠桿在任意位置處于平衡狀態，分別測出各力及其對應的力臂.

6)將分別繞過固定在滑槽中的滑輪上2根掛重物的棉線取下，讓其自然下垂，繼續探究杠桿提紐下豎直懸掛重物和杠桿水平靜止的情形.

實驗部分數據如表1所示. 整理數據，在實驗誤差允許的范圍內得出結論：F1L1=F2L2.

表1 實驗數據

5 結束語

在探究杠桿平衡條件實驗中，如何簡捷、精準測量力臂是實驗操作的難點，也是教師在教學實踐中優化實驗裝置的焦點. 將刻度尺進行有效改進，制作亞克力支架，在鏤空為圓弧狀槽中裝定滑輪，運用定滑輪不省力但可以隨意改變動力或阻力方向的特性，使實驗測量的數據具有普遍性，這有利于在創新實踐活動中培養學生的創造能力和科學思維能力，更有利于提升學生的實驗素養.